Peptide Engineering to Control Supramolecular Complexation, Drive Stimuli-Responsive Self-Assembly, and Build Peptide–Metal Hybrid Structures

Abstract

[Abstract] This doctoral thesis explores the use of peptides as modular building blocks for the design of functional supramolecular architectures and hybrid materials, due to their inherent biocompatibility, sequence programmability, ability for self-assembly, and ease of functionalization. In the first part, a redox-active tripeptide derived from the Phe-Gly-Gly motif was prepared by introducing an aromatic group connected through a disulfide bond to a cysteine side chain. This modified peptide formed 1:1 host–guest complexes with cucurbit[8]uril, whose association could be disrupted upon exposure to reducing agents, providing a controllable supramolecular response. In the second part, a coiled coil peptide that self-assembles into hexamers was functionalized with a thioester group and a cysteine residue at both termini, promoting its further organization into one-dimensional nanofibers. The combination of the coiled coil architecture and the dynamic covalent chemistry of the thioester bond enabled disassembly under controlled conditions, resulting in responsive nanofibers. In the final part, heptameric and pentameric coiled coils were used as templates to direct the formation and stabilization of gold, silver, and copper nanoclusters. The resulting hybrid systems showed tunable fluorescence that depended on the oligomeric state and cysteine content of the peptide scaffolds, highlighting their potential for the controlled generation of luminescent metal nanoclusters.

[Resumen] Esta tesis doctoral explora el uso de péptidos como bloques de construcción modulares para el diseño de arquitecturas supramoleculares funcionales y materiales híbridos, debido a su biocompatibilidad inherente, programabilidad de secuencia, capacidad de autoensamblaje y facilidad de funcionalización. En la primera parte, se preparó un tripéptido redox-activo derivado del motivo Phe-Gly-Gly mediante la introducción de un grupo aromático conectado, a través de un enlace disulfuro, a la cadena lateral de una cisteína. Este péptido modificado formó complejos receptor–sustrato 1:1 con cucurbit[8]urilo, cuya asociación podía interrumpirse tras la exposición a agentes reductores, proporcionando una respuesta supramolecular controlable. En la segunda parte, un péptido tipo coiled coil que se autoensambla en hexámeros se funcionalizó con un grupo tioéster y una cisteína en ambos extremos, favoreciendo su posterior organización en nanofibras unidimensionales. La combinación de la arquitectura coiled coil y la química covalente dinámica del enlace tioéster permitió su desensamblaje bajo condiciones controladas, dando lugar a nanofibras responsivas. En la parte final, se utilizaron coiled coils heptaméricos y pentaméricos como plantillas para dirigir la formación y estabilización de nanoclústeres de oro, plata y cobre. Los sistemas híbridos resultantes mostraron una fluorescencia modulable que dependía del estado oligomérico y del contenido de cisteína de los andamiajes peptídicos, lo que pone de manifiesto su potencial para la generación controlada de nanoclústeres metálicos luminiscentes.

[Resumo] Esta tese doutoral explora o uso de péptidos como bloques de construción modulares para o deseño de arquitecturas supramoleculares funcionais e materiais híbridos, debido á súa biocompatibilidade inherente, programabilidade de secuencia, capacidade de autoensamblaxe e facilidade de funcionalización. Na primeira parte, preparouse un tripéptido redox-activo derivado do motivo Phe-Gly-Gly mediante a introdución dun grupo aromático conectado, a través dunha ponte disulfuro, á cadea lateral dunha cisteína. Este péptido modificado formou complexos receptor–sustrato 1:1 con cucurbit[8]urilo, cuxa asociación podía interromperse tras a exposición a axentes reductores, proporcionando unha resposta supramolecular controlable. Na segunda parte, un péptido tipo coiled coil que se autoensambla en hexámeros funcionalizouse cun grupo tioéster e unha cisteína en ambos extremos, favorecendo a súa posterior organización en nanofibras unidimensionais. A combinación da arquitectura coiled coil e da química covalente dinámica da enlace tioéster permitiu o seu desensamblaxe baixo condicións controladas, dando lugar a nanofibras responsivas. Na parte final, empregáronse coiled coils heptaméricos e pentaméricos como plantillas para dirixir a formación e estabilización de nanoclústeres de ouro, prata e cobre. Os sistemas híbridos resultantes mostraron unha fluorescencia modulable que dependía do estado oligomérico e do contido de cisteína dos andamiaxes peptídicos, poñendo de manifesto o seu potencial para a xeración controlada de nanoclústeres metálicos luminiscentes.